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基因语法定义了由超螺旋结构介导的转录反馈机制
结构化摘要引言天然的基因网络需要多个转录单元的协调，以实现对细胞命运的精确控制。尽管精确控制基因表达至关重要，但紧密相邻的基因（包括天然调控电路和有限大小的合成基因电路）之间的耦合机制尚未完全明了。我们的目标是探究单个基因的转录如何通过RNA聚合酶的运动导致DNA的过度扭曲或过度松弛来影响相邻基因的表达。这种DNA的扭曲被称为超螺旋，其形成与转录的方向性有关。超螺旋通过改变RNA聚合酶的结合方式，形成反馈回路，从而影响相邻基因的表达。虽然超螺旋已在计算机模拟、体外实验和全基因组范围内进行了研究，但在活细胞中进行扰动性、位点特异性的超螺旋测量较为困难，这限制了对这一现象及其对基因表达影响的机制分析。 研究背景我们通过构建和整合哺乳动物细胞系中的合成双基因报告基因电路，测量了超螺旋对基因表达的影响。这些合成电路使我们能够在保持基因身份、电路拷贝数、基因组位置等参数不变的情况下，研究基因“语法”（即基因的相对顺序和排列方式）如何决定超螺旋介导的反馈机制。通过使用小分子诱导其中一个基因的表达，我们直接改变了转录产生的超螺旋程度。利用流式细胞术测量了单个细胞中的蛋白质和mRNA水平，从而计算出整个细胞群体中每个报告基因的平均表达水平和变异性。通过在固定的安全位点整合这些电路，我们使用CUT&Tag检测方法量化了局部表观遗传状态，使用GapRUN检测了正超螺旋密度，并使用Region Capture Micro-C检测了染色质折叠行为。这些测量结果提供了该电路位点处染色质行为的高分辨率图像，以及其对诱导基因表达的响应。 结果我们发现，基因的“语法”以依赖于语法和诱导因素的方式影响基因表达模式。语法不同的基因对表现出放大的、相关的表达模式，而语法相同的基因对中，下游基因的表达会降低。这种依赖于语法的行为在不同整合方法和细胞类型中都普遍存在。表达模式还与染色质状态的变化同时发生。直接测量DNA的正扭曲程度以及染色质结构的间接指标都表明，超螺旋对这些依赖于语法的行为有所贡献。将我们的观察结果应用于合成电路的设计中，我们仅通过改变基因的“语法”，就提高了抗体的产量，调整了化学计量比，并优化了多功能诱导电路的功能。 结论超螺旋介导的反馈机制能够连接相隔几千碱基对的基因。这一现象可能有助于协调天然的转录程序。应用我们提出的设计规则，可以提高工程化基因电路的可预测性、性能和功能范围。 摘要基因的“语法”——即基因及其调控元件的排列顺序——决定了天然和合成基因电路的动态协调机制。一个位点的转录会干扰相邻基因的转录，但这种效应的分子基础仍不清楚。在这项研究中，我们发现超螺旋介导的反馈机制源自转录过程，并以依赖于语法的方式调节相邻基因的表达。通过一系列实验，我们测量了人类诱导多能干细胞中染色质结构的变化，这些变化依赖于语法和诱导因素。将语法作为设计参数，我们构建并优化了紧凑型基因电路，调整了不同传递方法和细胞类型下的表达平均值、表达波动性和化学计量比。将超螺旋介导的反馈机制整合到基因调控模型中，将有助于我们更深入地理解天然和合成基因系统。 |
